基于PC104無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)的構(gòu)建

無人機(jī)具有體積小、重量輕、靈活機(jī)動(dòng)、成本低等特點(diǎn)，可以用于對(duì)地偵察拍照，還可以廣泛應(yīng)用于軍事偵察、地質(zhì)勘探以及對(duì)火災(zāi)等危險(xiǎn)區(qū)域的勘察預(yù)報(bào)等，因而在無人機(jī)上構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)就顯得十分重要。本文以基于PC104的無人機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)，其中，無人機(jī)視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮、解壓縮、傳輸都是無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，本文將針對(duì)這幾部分的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)的下位機(jī)主要由深圳桑達(dá)公司的PC104工控機(jī)、羅技快看太空版MP攝像頭(USB接口)、linksysWRT54GC-CN無線路由器及外圍電路組成，采用嵌入式Linux 2.4.26操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集，壓縮及將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)是包含有無線網(wǎng)卡的PC電腦，主要負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的接收、解壓和顯示，上下位機(jī)通過UDP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，采用socket網(wǎng)絡(luò)編程可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)及數(shù)據(jù)的收發(fā)。

PC104工控機(jī)采用嵌人式專用CPU PⅢ533～933 MHz，板載DDR內(nèi)存高達(dá)128

MB，提供2個(gè)RS 232串行接口，2個(gè)USB接口，1個(gè)并行口，軟盤驅(qū)動(dòng)器接口，IDE硬盤驅(qū)動(dòng)器，10/100 Base-TX Ethernet接口，CRT/LCD顯示器接口和固態(tài)盤插座，支持DiskOnChip 8～288 MB。PC104工控機(jī)的操作和使用與PC機(jī)相同，安裝系統(tǒng)硬件后，即可開機(jī)進(jìn)行BIOS設(shè)置，輸入電壓必須為+5 V，其波動(dòng)范圍不超過5%。

2 視頻數(shù)據(jù)采集的軟件實(shí)現(xiàn)

Video4Linux(V4L)是嵌入式Linux下視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，他為L(zhǎng)inux下的視頻設(shè)備提供了一系列的接口函數(shù)，在編譯和配置內(nèi)核階段，必須增加V4L模塊和USB攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊的支持。對(duì)于USB接口攝像頭，其驅(qū)動(dòng)程序中需要提供基本的I/O操作函數(shù)open，read，write，close的實(shí)現(xiàn)，對(duì)中斷的處理實(shí)現(xiàn)，內(nèi)存映射功能以及對(duì)I/O通道的控制接口函數(shù)ioctl的實(shí)現(xiàn)等，并把他們定義在struct file operations中。這樣當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open等系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過fileoperations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)USB攝像頭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，首先把USB控制器驅(qū)動(dòng)模塊靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，使平臺(tái)中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集時(shí)，使用insmode動(dòng)態(tài)加載其驅(qū)動(dòng)模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。

在USB攝像頭被驅(qū)動(dòng)后，再利用Video4Linux支持的幾個(gè)視頻采集相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，就可以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集。圖1是嵌入式Linux下視頻數(shù)據(jù)采集的流程：

使用ioctl(devfd，VIDIOCSYNC，&vid_mmap)函數(shù)判斷一幀圖像是否截取完畢，成功返回表示截取完畢，之后就可把圖像數(shù)據(jù)保存成文件的形式。為了得到連續(xù)幀視頻圖像，可在單幀的基礎(chǔ)上，利用vid_buf.frames值確定采集完攝像頭幀緩沖區(qū)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)的次數(shù)。在循環(huán)語句中，也是使用VIDIOCMCAPTURE ioctl和VIDIOCSYNC ioct1函數(shù)完成每幀截取，但要給采集到的每幀圖像賦地址，利用語句buf=map+vid_buf.off-sets[frame]，然后保存成文件的形式。

3 視頻數(shù)據(jù)壓縮原理

無人機(jī)系統(tǒng)的下位機(jī)要求實(shí)時(shí)傳輸視頻數(shù)據(jù)到上位機(jī)，由于視頻數(shù)據(jù)量較大且網(wǎng)絡(luò)帶寬非常寶貴，對(duì)視頻數(shù)據(jù)選用一種高壓縮比的文件格式顯得十分重要。JPEG是聯(lián)合圖像專家組(Joint Picture Expert Group)的英文縮寫，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和CCITT聯(lián)合制定的靜態(tài)圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。和相同圖像質(zhì)量的其他常用文件格式(如GIF，TIFF，PCX)相比，JPEG是目前靜態(tài)圖像中壓縮比最高的，而圖像質(zhì)量卻差不多。正是由于JPEG的高壓縮比，使得他廣泛地應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)編程中。

JPEG-專家組開發(fā)了兩種基本的壓縮算法，一種是采用以離散余弦變換(Discrete Cosine Transform，DCT)為基礎(chǔ)的有損壓縮算法，另一種是采用以預(yù)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的無損壓縮算法。使用有損壓縮算法時(shí)，在壓縮比為25：1的情況下，壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比較，非圖像專家難于找出他們之間的區(qū)別，因此得到了廣泛的應(yīng)用。JPEG壓縮是有損壓縮，他利用了人的視角系統(tǒng)的特性，使用量化和無損壓縮編碼相結(jié)合來去掉視角的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息。JPEG算法框圖如圖2所示。

壓縮編碼大致分成3個(gè)步驟：

(1) 通過DCT去除數(shù)據(jù)冗余。DCT是影像壓縮的重要步驟，他通過正交變換將圖像由空間域轉(zhuǎn)換為頻率域。對(duì)于N×N維的數(shù)據(jù)，經(jīng)變換以后仍然得到N×N的數(shù)據(jù)，雖然DCT變換本身并不對(duì)影像進(jìn)行壓縮，但變換消除了N×N維數(shù)據(jù)之間的冗余性。DCT變換是壓縮過程中量化和編碼的基礎(chǔ)。

(2) 使用量化表對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化。量化表是一個(gè)量化系數(shù)矩陣，通過量化可以降低整數(shù)的精度，減少整數(shù)存儲(chǔ)所需的位數(shù)。量化過程除掉了一些高頻分量，損失了高頻分量上的細(xì)節(jié)。由于人類視覺系統(tǒng)對(duì)高空間頻率遠(yuǎn)沒有低頻敏感，經(jīng)過量化處理的圖像從視覺效果來看損失很小。由于低空間頻率中包含大量的影像信息，經(jīng)過量化處理后，在高空間頻率段，出現(xiàn)大量連續(xù)的零，這有利于以后通過編碼減小數(shù)據(jù)量。

(3) 對(duì)量化后的DCT系數(shù)進(jìn)行編碼使其熵達(dá)到最小。遙感圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過DCT和量化之后，在高頻率段會(huì)出現(xiàn)大量連續(xù)的零，采用Huffman可變字長(zhǎng)編碼，可使冗余量達(dá)到最小。

譯碼或者叫做解壓縮的過程與壓縮編碼過程正好相反。根據(jù)上述JPEG數(shù)據(jù)壓縮解壓原理，在C編譯器和集成開發(fā)環(huán)境(Code Composer Studio，CCS)中開發(fā)實(shí)現(xiàn)了圖像壓縮解壓程序，便可應(yīng)用于無人機(jī)視頻數(shù)據(jù)的處理中。視頻數(shù)據(jù)壓縮處理程序的接口如下：

4 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議及socket編程

根據(jù)OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義，網(wǎng)絡(luò)由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層7層組成。而在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層4層模型。

在TCP/IP協(xié)議組中，IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，他能夠提供可靠的、全雙工的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，具有確認(rèn)、數(shù)據(jù)流控制、多路復(fù)用和數(shù)據(jù)同步等功能，適合高質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸，是目前應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議之一。但是，由于TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)開銷大，以及其提供的確認(rèn)與超時(shí)重傳機(jī)制都給數(shù)據(jù)傳輸帶來很大的時(shí)延。因此TCP協(xié)議不適合傳輸實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)和突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)。

UDP協(xié)議是無連接協(xié)議，報(bào)文交換機(jī)理簡(jiǎn)單，不存在多重確認(rèn)機(jī)制，從而減少了因建立連接和撤除連接所需要的巨大開銷。每個(gè)分組都攜帶完整的目的地址，在各分組系統(tǒng)中獨(dú)立傳送，他不保證分組的先后順序，不進(jìn)行分組出錯(cuò)的恢復(fù)與重傳，因此無法保證傳輸?shù)目煽啃院头?wù)質(zhì)量。但是相對(duì)于TCP協(xié)議，UDP協(xié)議減少了確認(rèn)、同步等操作，節(jié)省了很大的網(wǎng)絡(luò)開銷。他能夠提供高傳輸效率的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸，在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸中應(yīng)用廣泛。為了保證無人機(jī)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，采用IP協(xié)議和UDP協(xié)議作為系統(tǒng)的通信協(xié)議。

系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的軟件實(shí)現(xiàn)采用socket(套接口)編程技術(shù)，系統(tǒng)調(diào)用socket()函數(shù)，返回一個(gè)整型的socket描述符，視頻數(shù)據(jù)傳輸便是通過該socket函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。常用的socket類型對(duì)應(yīng)于傳輸協(xié)議也有兩種：流式socket和數(shù)據(jù)報(bào)式socket。前者使用TCP協(xié)議，后者使用UDP協(xié)議，本系統(tǒng)中采用的是數(shù)據(jù)報(bào)式socket。以下是下位機(jī)socket編程的主要實(shí)現(xiàn)：

由上位機(jī)的無線網(wǎng)卡負(fù)責(zé)接收下位機(jī)的視頻數(shù)據(jù)，并根據(jù)JPEG圖像的解壓原理對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮并顯示。圖3，圖4可以看到從下位機(jī)采集到視頻數(shù)據(jù)并通過處理之后發(fā)到上位機(jī)然后顯示出來的效果。

5 結(jié) 語

本文主要介紹了一種基于PC104無人機(jī)的視頻系統(tǒng)構(gòu)建方法和流程，以PC104工控機(jī)為主要硬件平臺(tái)，完成了對(duì)攝像頭視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮、傳輸?shù)冗^程的詳細(xì)介紹和軟件設(shè)計(jì)，采用網(wǎng)絡(luò)UDP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和socket編程傳輸視頻數(shù)據(jù)，保證了一定程度上的實(shí)時(shí)性，可以滿足無人機(jī)地質(zhì)勘探、火災(zāi)偵察等領(lǐng)域的應(yīng)用。